深厚廢石堆積層中鑿井技術(shù)探討

安建英， 崔傳杰， 李 河， 郭相參

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責(zé)任公司， 河北 遷安 064400)

1 前言

1.1 工程地質(zhì)

馬蘭莊鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采工程，西風(fēng)井受地形、征地等條件限制，最終確定的井筒位置在露天采坑排土堆積場(chǎng)內(nèi)。

根據(jù)工勘資料，西風(fēng)井井筒穿過(guò)的廢石堆積層厚度約96 m，在堆積層之下依次為強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、中等～微風(fēng)化混合花崗巖、微風(fēng)化輝石斜長(zhǎng)巖、混合花崗巖等巖層。堆積物為采礦廢石，深度0～80 m，粒徑大小不一，大者超過(guò)500 mm，小者0.50 mm；80～96.07 m堆積物為黃褐色強(qiáng)風(fēng)化黑云混合片麻巖碎屑，局部夾大塊碎石；堆積層總厚度96.07 m，標(biāo)高220.35～124.28 m。強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖層，厚度6.57 m；巖心極破碎，呈碎塊～碎渣狀；風(fēng)化裂隙發(fā)育，水蝕、溶蝕明顯，可見(jiàn)明顯銹斑，為強(qiáng)透水巖層。

堆積層厚度大，堆積年代較短，結(jié)構(gòu)較為松散，透水性強(qiáng)。在厚度超過(guò)100 m的這種不穩(wěn)定的復(fù)雜地層中開(kāi)鑿豎井，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)、施工方案和施工技術(shù)都有很高要求，需要方案可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，以保障施工安全和建設(shè)進(jìn)度、節(jié)約建設(shè)成本。

1.2 設(shè)計(jì)概況

西風(fēng)井井筒設(shè)計(jì)井筒凈直徑4.5 m，井口標(biāo)高220.00 m，井筒深度432.5 m，為回風(fēng)豎井；井筒內(nèi)設(shè)梯子間，兼做礦山安全出口。

井頸段設(shè)計(jì)高度105 m，采用(噴)錨網(wǎng)+雙層鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)總厚度600 mm。為了防止井壁“脫褲子”，根據(jù)采用的施工方法，在鎖口增加了環(huán)形鋼筋混凝土“承臺(tái)”，用于分擔(dān)、吊掛下部井壁重量，環(huán)形承臺(tái)寬度2.0 m、高度1.3 m，結(jié)構(gòu)類(lèi)似牛腿；同時(shí)，在井頸中部和底部各設(shè)置1道高度2.0 m、寬度0.79 m的雙錐形壁座[1]，并加大井頸段豎向鋼筋面積，使豎(副)筋能夠最大限度地承載井壁自重。

井頸段設(shè)(噴)錨網(wǎng)一次支護(hù)，在加固圍巖、預(yù)防坍塌、分解井壁自重的同時(shí)，也是施工安全和施工質(zhì)量保障的技術(shù)措施。

2 施工方案

2.1 施工方案

廢石堆積層的穩(wěn)定性、均質(zhì)性等均較差，與原生第四系表土層有較大差異，因而施工難度更大。在厚大表土層中成功開(kāi)鑿豎井有許多案例和經(jīng)驗(yàn)，但在深厚堆積層中開(kāi)鑿豎井的案例寥寥無(wú)幾。針對(duì)本工程實(shí)際情況，鑿井穿過(guò)堆積層有以下幾種方案。

方案Ⅰ:地面預(yù)注漿加固廢石堆方案。在井筒開(kāi)鑿前，于井筒周?chē)@注漿孔，深度穿過(guò)堆積層、強(qiáng)風(fēng)化層以下不小于10 m；安裝注漿管及止?jié){塞；用注漿泵把漿液經(jīng)注漿孔注入堆積層裂隙及強(qiáng)風(fēng)化層中對(duì)其進(jìn)行加固，使堆積層穩(wěn)定后再開(kāi)鑿井筒。注漿孔間距3～5 m。

方案Ⅱ：工作面預(yù)注漿加固廢石堆方案。井筒掘進(jìn)時(shí)，在井內(nèi)澆筑混凝土止?jié){墊或預(yù)留止?jié){巖柱；打注漿鉆孔安裝注漿管，注漿加固堆積層并封水，之后再進(jìn)行開(kāi)鑿；如此循環(huán)，直至穿過(guò)不穩(wěn)定地層。注漿孔間距1.5～3 m，與井筒呈同心圓布置，孔底超出井筒掘進(jìn)范圍不小于1.0 m。每次注漿段高依據(jù)所采用的鉆孔設(shè)備而定。

方案Ⅲ：工作面錨注加固方案。將錨固支護(hù)技術(shù)和注漿加固技術(shù)相結(jié)合，利用中空錨桿兼做注漿管，在保證全長(zhǎng)錨固的前提下，通過(guò)注漿材料改變廢石堆的穩(wěn)定性，提高其強(qiáng)度和自承能力，以保障能夠順利開(kāi)鑿井筒。錨桿間距1.0～1.5 m。

方案Ⅳ：錨網(wǎng)+吊掛井壁施工方案[2]。分層、分區(qū)塊開(kāi)挖井筒至掘進(jìn)斷面，每個(gè)區(qū)塊開(kāi)挖出來(lái)后立即打錨桿掛金屬網(wǎng)；井筒掘進(jìn)斷面成形后，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)分層掘進(jìn)；達(dá)到一個(gè)段高后施工永久支護(hù)井壁。井壁為鋼筋混凝土，上下兩段井壁依豎向鋼筋可靠連接，下段井壁自重部分依靠上段井壁承載，部分傳遞給圍巖；在井口設(shè)置1個(gè)較大的鋼筋混凝土承盤(pán)，承載下部井壁的自重；必要時(shí)通過(guò)設(shè)置壁座承載。

2.2 方案比較

以上4個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 各施工方案優(yōu)缺點(diǎn)

2.3 方案選擇

西風(fēng)井井頸段施工需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何保障開(kāi)挖及開(kāi)挖后堆積層井幫的自穩(wěn)能力，同時(shí)還應(yīng)避免混凝土永久井壁發(fā)生“脫褲子”。從有利于保證建井進(jìn)度方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇方案Ⅰ。從注漿范圍的可控性和節(jié)省成本方面考慮，應(yīng)選擇方案Ⅱ或方案Ⅲ。方案Ⅳ在技術(shù)上可行，其成本也最低，但井壁混凝土接茬多，澆筑混凝土?xí)r松散廢石易混入其中，質(zhì)量不易保證；在深度超過(guò)100 m的不穩(wěn)定地層中，此法將會(huì)嚴(yán)重制約建井進(jìn)度。

方案Ⅲ采用自鉆式注漿錨桿，集鉆孔、安裝、注漿、錨固于一體，避免了打鉆塌孔卡鉆；可以按需較好地控制注漿范圍，在保障堆積層井幫穩(wěn)定、不垮塌的條件下，有利于節(jié)省建井成本；錨桿還可以與加固后的堆積層共同承載井壁重量，有利于防止井壁發(fā)生“脫褲子”；施工技術(shù)要求也不是很高，易于操作實(shí)施。因此，確定采用方案Ⅲ完成井頸段的施工。

3 施工工藝技術(shù)

3.1 注漿參數(shù)

與止水注漿不同，本工程注漿的目的主要是膠結(jié)、加固井筒掘進(jìn)斷面以外的回填體廢石，使其達(dá)到穩(wěn)定，為開(kāi)挖井筒提供相對(duì)穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件。由于不需密實(shí)注漿，為了較好地控制注漿漿液擴(kuò)散范圍，節(jié)省工程成本，以較高濃度漿液、較低注漿壓力、短段注漿為宜。

(1)注漿孔數(shù)量：按錨桿錨固技術(shù)要求并結(jié)合注漿工藝，每圈布置注漿錨桿17個(gè)，與水平面呈60°夾角，間距約1 m，層間距1.7 m。

(2)注漿段高：根據(jù)掘砌施工工藝，取注漿段高2 m。

(3)注漿壓力：本注漿為非止水注漿，不設(shè)止?jié){墊；僅需維護(hù)開(kāi)挖后井幫基本穩(wěn)定，不要求結(jié)石密實(shí)。因而采用低壓注漿，取注漿泵壓≤0.5 MPa。

(4)注漿漿液：采用水泥- 水玻璃雙液注漿。選用P.O 42.5水泥，水灰比為0.5∶1；水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.6～1∶1，水玻璃模數(shù)2.8～3.1，波美度38～40°Bé。

(5)鉆孔漿液注入量[3]

Q=λπR2Hηβ/m

式中：Q——鉆孔漿液注入量，m3；

λ——漿液損失系數(shù)，取λ=1.5；

R——漿液擴(kuò)散半徑，取0.5 m；

H——注漿段高，取2.0 m；

η——巖層裂隙率或砂土層的孔隙率，取14%；

β——漿液的有效充填系數(shù)，取0.86；

m——漿液結(jié)石率，取0.99。

計(jì)算得出，鉆孔漿液注入量為0.287 m3。每個(gè)注漿孔水泥用量約0.35 t，每個(gè)注漿段水泥總用量5.95 t。

3.2 注漿施工

1)注漿錨桿

采用自鉆式注漿錨桿，規(guī)格為φ32 mm×7 mm×3 000 mm，以中空鋼管制作，注漿液全長(zhǎng)錨固。錨桿體上的注漿孔，分布在距鉆頭0.2～2.2 m，孔間距200 mm，按螺旋狀布置，共11孔。

采用YT- 28鑿巖機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝錨桿。沿井筒周?chē)咳煎^桿17根，開(kāi)孔位置位于上段混凝土井壁下部約500 mm，向下與水平方向呈60°夾角，具體如圖1所示。

圖1 注漿錨桿施工示意圖

錨桿豎向間距與澆筑混凝土井壁的段高一致，為1.7 m。

2)注漿加固

工作面設(shè)置一臺(tái)2TGZ- 120/10.5型注漿泵，將高壓注漿軟管連接鉆孔孔口管，并安設(shè)高壓閥門(mén)和壓力表，形成地面攪拌池→吸漿管→注漿泵→注漿孔(管)的注漿系統(tǒng)。每個(gè)注漿孔注入漿液量0.287 m3(合計(jì)水泥量約0.35 t)，并須遵守注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

本工程注漿為固結(jié)注漿，達(dá)到開(kāi)挖后堆積層井幫有限穩(wěn)定即可。據(jù)此，確定注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：現(xiàn)場(chǎng)注漿量控制以孔口返漿或上壓為準(zhǔn)，并根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況實(shí)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.3 掘進(jìn)與支護(hù)

(1)選用Ⅳ型亭式鑿井井架，φ2.5 m雙卷筒單繩提升機(jī)單鉤提升，采用0.4 m3長(zhǎng)繩懸吊抓巖機(jī)，配2.5 m3座鉤式吊桶自動(dòng)翻碴。支護(hù)采用整體式金屬模板，段高1.7 m(基巖為3.4 m)。

(2)先按設(shè)計(jì)要求施工好鎖口承臺(tái)，再向下延深；井筒深度達(dá)到15 m后，下放懸吊吊盤(pán)、安裝固定盤(pán)和封口盤(pán)。采取短掘短砌施工方法，段高1.7 m；采用一注一掘一支的施工循環(huán)。

開(kāi)工時(shí)間選擇在冬季，至降雨季節(jié)即可完成井頸施工。

(3)掘進(jìn)。井口段采用挖掘機(jī)明槽掘進(jìn)。井口段以下掘進(jìn)，以風(fēng)鎬松動(dòng)廢石，必要時(shí)放小炮輔助松動(dòng)。采用抓巖機(jī)裝碴、廢石吊桶提升，人工輔助清底；廢石提升至地表后，以卡車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至排放地。

開(kāi)挖順序：先在井筒中心掘出1個(gè)小井，再向外擴(kuò)挖至井筒掘進(jìn)斷面，并及時(shí)掛網(wǎng)對(duì)井幫維護(hù)，以防出現(xiàn)井幫片幫、冒落。采用C20×1000～1200 mm鋼筋錨桿，金屬網(wǎng)直徑6 mm、網(wǎng)度100 mm×100 mm。

若井幫出現(xiàn)較大空腔，則采用木方背板及時(shí)支撐土體，并與錨網(wǎng)可靠支撐，減少土體塌落。

(4)澆筑井壁。井口設(shè)置混凝土攪拌站，采用自動(dòng)計(jì)量裝置上料，以溜灰管下放混凝土，經(jīng)分料器分至2處入模。

按設(shè)計(jì)斷面掘出1個(gè)段高并維護(hù)好井幫后，即綁扎鋼筋、安裝模板、澆筑混凝土。采用四面對(duì)稱、分層澆筑，層層搗固，每分層約300 mm；振搗時(shí)，振搗器插入下分層內(nèi)不小于50 mm，以使上下分層混凝土緊密連接。

綁扎鋼筋時(shí)，豎向鋼筋下端要埋入廢石堆中，埋入長(zhǎng)度不小于300 mm。上、下兩段豎向鋼筋之間以套筒聯(lián)結(jié)。

(5)壁后空區(qū)處理。上模已澆筑井壁的壁后存在較大的塌落空區(qū)時(shí)，拆模后及時(shí)打注漿孔；本模混凝土澆筑完成后，以1∶3水泥砂漿注填密實(shí)。

4 施工驗(yàn)證

(1)從2017年11月中旬施工準(zhǔn)備開(kāi)始，按照以上技術(shù)方案施工，至2018年5月下旬，順利完成了施工準(zhǔn)備工作和井頸段的施工。開(kāi)挖中，除井幫局部偶有片幫外，未發(fā)生井幫較大面積垮落、井壁“脫褲子”等現(xiàn)象。

(2)工勘鉆孔距井筒中心約20 m，實(shí)際施工到深度86 m時(shí)已進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層，最終確定井頸底部壁座設(shè)于深度95 m，比依據(jù)工勘資料確定的高度減少了10 m。

(3)上部堆積層較為松散，注漿液消耗量基本與注漿設(shè)計(jì)一致；深部堆積層較為密實(shí)，注漿液消耗量大幅減少。

5 結(jié)論

(1)在厚度近90 m的廢石堆積層中開(kāi)鑿豎井鮮有先例。本工程的成功施工說(shuō)明，支護(hù)設(shè)計(jì)合理、施工方法正確；支護(hù)設(shè)計(jì)要緊密結(jié)合施工技術(shù)方案，在維護(hù)井筒安全穩(wěn)定的同時(shí)，還應(yīng)適應(yīng)施工方法。

(2)井頸設(shè)計(jì)的環(huán)形鎖口“承臺(tái)”、中間壁座等，為分解、承載井壁重量發(fā)揮了重要作用；自鉆式注漿錨桿在膠結(jié)、加固圍巖的同時(shí)，有效地分擔(dān)了井壁自重。這些措施都很好地預(yù)防了發(fā)生井壁“脫褲子”。

(3)注漿要求達(dá)到堆積層井幫有限穩(wěn)定，采用工作面低壓、高濃度、短段注漿，既很好地控制了注漿液的擴(kuò)散，又有效地膠結(jié)加固了井幫，也顯著地節(jié)省了建設(shè)成本。

(4)施工時(shí)將砂漿錨桿改為自鉆式注漿錨桿，將錨桿與注漿管合二為一，避免了重復(fù)打鉆和發(fā)生卡鉆，使錨桿錨固和注漿都得到保障。

(5)選擇在冬季開(kāi)工建設(shè)，避免了下雨可能導(dǎo)致廢石堆積層的不穩(wěn)定情況加劇等不利因素。

(6)本工程采用工作面錨注加固法通過(guò)深厚廢石堆積層的成功施工，為相似地質(zhì)條件的豎井施工提供了很好的例證。